熱管理系統(tǒng)在電池管理系統(tǒng)中的重要性

1、熱管理系統(tǒng)在電池管理系統(tǒng)中的重要性電池管理系統(tǒng)（ Battery Management System, BMS）的主要任務(wù)是保證電池組工作在安全區(qū)間內(nèi)， 提供車輛控制所需的必需信息，在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)響應(yīng)處理，并根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車輛需求等決定電池的充放電功率等。BMS 的主要功能有電池參數(shù)監(jiān)測(cè)、電池狀態(tài)估計(jì)、在線故障診斷、充電控制、自動(dòng)均衡、熱管理等。本文將重點(diǎn)分析電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(Battery ThermalManagement System, BTMS).電池的熱相關(guān)問(wèn)題是決定其使用性能、 安全性、壽命及使用成本的關(guān)鍵因素。首先，鋰離子電池的溫度水平直接影響其使用中的能量與功率性能。

2、溫度較低時(shí)，電池的可用容量將迅速發(fā)生衰減，在過(guò)低溫度下（如低于0°C）對(duì)電池進(jìn)行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過(guò)充現(xiàn)象，造成內(nèi)部析鋰并進(jìn)而引發(fā)短路。 其次，鋰離子電池的熱相關(guān)問(wèn)題直接影響電池的安全性。生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的缺陷或使用過(guò)程中的不當(dāng)操作等可能造成電池局部過(guò)熱，并進(jìn)而引起連鎖放熱反應(yīng)， 最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴(yán)重的熱失控事件，威脅到車輛駕乘人員的生命安全。另外，鋰離子電池的工作或存放溫度影響其使用壽命。電池的適宜溫度約在1030 °C 之間，過(guò)高或過(guò)低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動(dòng)力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對(duì)減小，電池內(nèi)部熱量不易散出， 更可能出現(xiàn)內(nèi)部

3、溫度不均、局部溫升過(guò)高等問(wèn)題， 從而進(jìn)一步加速電池衰減， 縮短電池壽命，增加用戶的總擁有成本。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是應(yīng)對(duì)電池的熱相關(guān)問(wèn)題，保證動(dòng)力電池使用性能、 安全性和壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。熱管理系統(tǒng)的主要功能包括：1）在電池溫度較高時(shí)進(jìn)行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；2）在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性；3）減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫位置處電池過(guò)快衰減，降低電池組整體壽命。一、 Tesla Roadster的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)Tesla Motors公司的 Roadster 純電動(dòng)汽車采用了液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。車載電池組由 6831

4、 節(jié) 18650 型鋰離子電池組成，其中每69 節(jié)并聯(lián)為一組（ brick ），再將 9 組串聯(lián)為一層（ sheet ），最后串聯(lián)堆疊 11 層構(gòu)成。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻液為 50% 水與 50% 乙二醇混合物。圖 1.(a) 是一層（ sheet ）內(nèi)部的熱管理系統(tǒng)。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內(nèi)部流動(dòng)，帶走電池產(chǎn)生的熱量。圖1.(b) 是冷卻管道的結(jié)構(gòu)示意圖。冷卻管道內(nèi)部被分成四個(gè)孔道，如圖1.(c)所示。為了防止冷卻液流動(dòng)過(guò)程中溫度逐漸升高，使末端散熱能力不佳， 熱管理系統(tǒng)采用了雙向流動(dòng)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，冷卻管道的兩個(gè)端部既是進(jìn)液口，也是出液口，如圖 1(d) 所示。電池之間及電池和

5、管道間填充電絕緣但導(dǎo)熱性能良好的材料（如Stycast 2850/ct），作用是： 1) 將電池與散熱管道間的接觸形式從線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|； 2) 有利于提高單體電池間的溫度均一度；3)有利于提高電池包的整體熱容，從而降低整體平均溫度。圖 1. Roadster的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)示意圖通過(guò)上述熱管理系統(tǒng)， Roadster電池組內(nèi)各單體電池的溫度差異控制在±2°C 內(nèi)。2013 年 6 月的一份報(bào)告顯示，在行駛10 萬(wàn)英里后， Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%85% ，而且容量衰減只與行駛里程數(shù)明顯相關(guān)，而與環(huán)境溫度、 車齡關(guān)系不明顯。 上述結(jié)果的取得依

6、賴電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的有力支撐。二、其他電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)1 、日產(chǎn) LEAF 的熱管理系統(tǒng)日產(chǎn)汽車公司的 LEAF 純電動(dòng)汽車采用了少見(jiàn)的被動(dòng)式電池組熱管理系統(tǒng)。電池組由 192 節(jié) 33.1 Ah 的層疊式鋰離子電池組成。4 節(jié)單體電池采用兩并兩串的連接形式組成模塊，48 個(gè)模塊串聯(lián)組成電池組。電池組采用密封設(shè)計(jì)，外界不通風(fēng)，內(nèi)部也無(wú)液冷或空冷的熱管理系統(tǒng)，但寒冷地區(qū)有加熱選件。LEAF所采用的鋰離子電池經(jīng)過(guò)電極設(shè)計(jì)后降低了內(nèi)部阻抗，減小了產(chǎn)熱率， 同時(shí)薄層（單體厚度 7.1 mm ）結(jié)構(gòu)使電池內(nèi)部熱量不易產(chǎn)生積聚，因此可以不采用復(fù)雜的主動(dòng)式熱管理系統(tǒng)。電池組的壽命保證期是8 年或 16 萬(wàn)

7、公里。2 、通用 Volt的熱管理系統(tǒng)通用汽車公司的 Volt 插電式混合動(dòng)力汽車使用了288 節(jié) 45 Ah 的層疊式鋰離子電池。電池組的電氣連接可等效為96 片單體串聯(lián)成組， 3 組并聯(lián)。熱管理系統(tǒng)采用了液冷式設(shè)計(jì)方案，以50% 水與 50% 乙二醇混合物為冷卻介質(zhì)。單體電池間間隔布置了金屬散熱片（厚度為1 mm ），散熱片上刻有流道槽。冷卻液可在流道槽內(nèi)流動(dòng)帶走熱量。 在低溫環(huán)境下， 加熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。圖 2. Volt 的熱管理系統(tǒng)Volt 的電池組內(nèi)的溫度差可控制在2°C 以內(nèi)，有力地支持了8 年的電池組壽命保證期。三、 Tesla Roadster相對(duì)于其

8、他電動(dòng)汽車在熱管理上的特點(diǎn)從上述分析可以看到， Tesla Roadster在熱管理系統(tǒng)上遠(yuǎn)比其他電動(dòng)汽車要復(fù)雜。Tesla 的電池組是由 6831 節(jié)單體容量較小的18650 電池組成的， 要保證這么多電池的溫度差異不超過(guò)±2°C 是一件非常困難的事情，但是Tesla 做到了，這也凸顯出 Tesla 在電池管理上的先進(jìn)、獨(dú)到之處。但是，又有一個(gè)新問(wèn)題出來(lái)了：既然 LEAF 和 Volt 采用大容量的層疊式鋰離子電池匹配較簡(jiǎn)單的熱管理系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，為什么Tesla 還要采用 18650 電池和復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)？筆者認(rèn)為有如下原因：a. 18650 電池的優(yōu)點(diǎn)： 1

9、8650 電池已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，生產(chǎn)廠商已經(jīng)積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)用于控制成本，提高性能（特別是安全性、一致性等）。 Tesla 在選擇電池廠商時(shí)，特別選擇了那些積極投資于減少產(chǎn)品缺陷的企業(yè)。b. Tesla 的相對(duì)優(yōu)勢(shì)： 在所有的電動(dòng)汽車制造商中， Tesla 是很神奇的一家。它既不是電池生產(chǎn)商， 也不是傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)商，但它居然成功了。 中國(guó)的比亞迪是從電池起家，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)電動(dòng)汽車；日本的日產(chǎn)是傳統(tǒng)的汽車廠商，后來(lái)與NEC 合作開發(fā)電池，進(jìn)入電動(dòng)汽車市場(chǎng)。 Tesla 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在哪里？ 我認(rèn)為電池管理系統(tǒng)絕對(duì)是其中很重要的一個(gè)部分。在Tesla 的技術(shù)團(tuán)隊(duì)中，偏向電子、電工方

10、向的工程師應(yīng)該是占多數(shù)的，因此開發(fā)電池管理系統(tǒng)難度遠(yuǎn)低于開發(fā)電池（偏向材料、化學(xué)）或者底盤（偏向機(jī)械）等。在 Tesla 技術(shù)總監(jiān) J B Straubel 訪談中，他對(duì)“ Tesla 一直會(huì)綁定在 18650電池上嗎？ Tesla 會(huì)不會(huì)選用別的什么電池？”這個(gè)問(wèn)題的回答是：“相信我，在不久的將來(lái)我們會(huì)看到18650 是最有說(shuō)服力的。我真的不知道為什么18650會(huì)引起那么多爭(zhēng)議， 沒(méi)有人會(huì)在乎你油箱的形狀和大小，但是在電動(dòng)車上用什么形狀和大小放入電化學(xué)能量卻引起這么多的爭(zhēng)議。人們應(yīng)該真正討論的是里面放了什么樣的化學(xué)物質(zhì) ,這些物質(zhì)的性質(zhì)決定了成本和性能。目前我們的電池實(shí)際上是深度定制的， 我

11、們和松下一起做了大量的客戶定制工作。我們做的是汽車級(jí)的電池，按照汽車級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)酷測(cè)試， 絕對(duì)不可能在任何筆記本上找到這種電池。我們之所以使用18650 這樣形狀和大小的電池主要是出于生產(chǎn)和成本效率方面的考慮，任何一種大電池都滿足不了我們需要的價(jià)格水平。我們認(rèn)為對(duì)于電動(dòng)車，你的產(chǎn)品有一些關(guān)鍵的安全和性能指標(biāo)這是必須的，但是最重要的是你產(chǎn)品能量存儲(chǔ)的成本效率。如果有公司覺(jué)得自己的電池架構(gòu)更劃算，我們隨時(shí)洗耳恭聽(tīng)。但是目前為止我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一家公司能證明比我們的電池架構(gòu)更具成本效益?！盝 B Straubel 對(duì) Tesla 的長(zhǎng)期合作伙伴戴姆勒和豐田的態(tài)度是：“豐田對(duì)我們?cè)谔嵘a(chǎn)經(jīng)營(yíng)和供應(yīng)商質(zhì)量

12、問(wèn)題上非常有幫助。在大型制造企業(yè)里面他們是世界界上最好的公司。 他們建立了一門科學(xué)追蹤生產(chǎn)缺陷，在很多地方幫到了我們。我們從戴姆勒學(xué)到的關(guān)鍵知識(shí)是產(chǎn)品的驗(yàn)證和測(cè)試，他們帶來(lái)了很多在這些領(lǐng)域的高強(qiáng)度的嚴(yán)謹(jǐn)性。 他們要做的真的是極高質(zhì)量的產(chǎn)品，戴姆勒的產(chǎn)品和豐田在產(chǎn)量?jī)r(jià)格上都是不同的。 因此對(duì)我們制造電動(dòng)車而言， 能從這兩家混合吸收經(jīng)驗(yàn)真是一件很酷的事情。 合作是互相促進(jìn)的， 他們渴望傾聽(tīng)和了解我們是如何創(chuàng)新 ,編軟件和解決問(wèn)題的。我得說(shuō)我們?cè)诰庈浖碗娮庸こ谭矫骖I(lǐng)先了他們不止一點(diǎn)點(diǎn)?！逼渲袑I(yè)理論知識(shí)內(nèi)容包括：保安理論知識(shí)、消防業(yè)務(wù)知識(shí)、職業(yè)道德、法律常識(shí)、保安禮儀、救護(hù)知識(shí)。作技能訓(xùn)練內(nèi)容包括

13、：崗位操作指引、勤務(wù)技能、消防技能、軍事技能。二培訓(xùn)的及要求培訓(xùn)目的安全生產(chǎn)目標(biāo)責(zé)任書為了進(jìn)一步落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，做到“責(zé)、權(quán)、利”相結(jié)合，根據(jù)我公司2015 年度安全生產(chǎn)目標(biāo)的內(nèi)容，現(xiàn)與財(cái)務(wù)部 簽訂如下安全生產(chǎn)目標(biāo)：一、目標(biāo)值：1 、全年人身死亡事故為零，重傷事故為零，輕傷人數(shù)為零。2 、現(xiàn)金安全保管，不發(fā)生盜竊事故。3 、每月足額提取安全生產(chǎn)費(fèi)用，保障安全生產(chǎn)投入資金的到位。4 、安全培訓(xùn)合格率為 100% 。二、本單位安全工作上必須做到以下內(nèi)容：1 、對(duì)本單位的安全生產(chǎn)負(fù)直接領(lǐng)導(dǎo)責(zé)任，必須模范遵守公司的各項(xiàng)安全管理制度，不發(fā)布與公司安全管理制度相抵觸的指令，嚴(yán)格履行本人的安全職責(zé)，確保

14、安全責(zé)任制在本單位全面落實(shí)，并全力支持安全工作。2 、保證公司各項(xiàng)安全管理制度和管理辦法在本單位內(nèi)全面實(shí)施，并自覺(jué)接受公司安全部門的監(jiān)督和管理。3 、在確保安全的前提下組織生產(chǎn)，始終把安全工作放在首位，當(dāng)“安全與交貨期、質(zhì)量”發(fā)生矛盾時(shí)，堅(jiān)持安全第一的原則。4 、參加生產(chǎn)碰頭會(huì)時(shí)，首先匯報(bào)本單位的安全生產(chǎn)情況和安全問(wèn)題落實(shí)情況；在安排本單位生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，必須安排安全工作內(nèi)容，并寫入記錄。5 、在公司及政府的安全檢查中杜絕各類違章現(xiàn)象。6 、組織本部門積極參加安全檢查，做到有檢查、有整改，記錄全。7 、以身作則，不違章指揮、不違章操作。對(duì)發(fā)現(xiàn)的各類違章現(xiàn)象負(fù)有查禁的責(zé)任，同時(shí)要予以查處。8 、虛心接受員工提出的問(wèn)題，杜絕不接受或盲目指揮；9 、發(fā)生事故，應(yīng)立即報(bào)告主管